移動式充電寶電池管理系統設計

琚潔華 張吉盛 鐘筱怡 袁心怡 王婧

摘要：移動式充電寶是一種電動汽車的應急電源裝置，通過車載方式為行駛途中因為電池能源不足的車輛補充能源。移動式充電寶主要由儲能裝置、逆變裝置、充放電控制系統、電源管理系統等部分構成。本文設計了一種可用于移動式充電寶大功率電池組儲能單元管理的系統，可實現電池組的狀態監視、診斷和充電控制。本文設計的移動式充電寶電源管理系統集成度高，支持智能診斷和控制，已經成功應用于車載充電裝置中。通過較長時間的運行測試，表明所設計的電源管理軟件和硬件系統具有良好的技術性能。

關鍵詞：移動式充電寶；電源管理；狀態監視

1引言

電動汽車是一種通過電池、電容等儲能元件為行駛提供動力的環保汽車，排放幾乎為零。電動汽車具有良好的環保特性，得到世界各國政府和企業大力支持，作為解決能源危機、溫室效應、環境污染的重要途徑之一。隨著特斯拉電動汽車等在近幾年的快速崛起，成熟的、性能良好的、續航能力強的電動汽車得到了極為快速的推廣，與電動汽車相關的產業鏈也在逐步興起和發展。在中國，針對電動汽車產業發展也提出了一系列促進措施和產業支持政策，通過企業與政府的密切合作以快速推進電動車產業發展和應用。

為了配合推動電動汽車的推廣和使用，建立完善的、布局合理的充電基礎設施也是非常重要的。在我國主要的大中型城市基本上都建立了較為完善的電動汽車充電設施。據初步統計，全國已建成的充換電站超過了4500座，各種固定充電樁約8萬個，并持續保持較為快速的增長。國家電網公司、各級地方政府作為推動電動汽車發展和使用的重要推動者，先后發布了一些支持扶持建設電動汽車充換電站的文件和投資計劃，在主要的城市加速推進充換電基礎設施的建設；對于推動我國電動汽車產業的發展具有非常顯著的效果。以國家電網公司作為主要的牽頭單位，在電動汽車充電方面進行了一系列的研究和開發，建立了權威的測試和認證機構。我國目前建立的電力基礎設施，在技術性能上已經可以保證不同品牌、不同型號的電動汽車與充電設施之間的對接，建立了較為統一的充電接口標準。

針對電動汽車建立的現有基礎設施，主要是固定式的，不能靈活移動。在電動汽車的實際使用過程中，由于人為疏忽或設備故障，有時會出現在行駛途中的電動汽車因為電能耗盡而不能繼續行駛到充/換電點的情況。針對上述意外情況，研制可自由移動式的充電單元為電動汽車補充能源是非常有必要的，因此提出了專為電動汽車供電的移動充電寶的概念。本文在對移動充電寶功能、組成進行簡要介紹的基礎上，主要討論移動充電寶電源管理系統的設計問題。介紹了一種電源管理系統的設計方案。

2移動式充電寶的組成

作為專為電動汽車設計的移動應急電源裝置，移動式充電寶主要由如下4個基本部分組成：

（1）電池組，在移動式充電寶中電池組是非常重要的組成部分，是移動式充電寶的電能儲存裝置。常見的電能儲存裝置主要由電池和超級電容兩種，由于電池具有較大的能量密度，制造工藝成熟，成本相對較低，所以移動式充電寶一般都采用電池儲能的方式。電池根據儲能原理的不同又可以劃分為不同的類型，例如鋰電池具有較高的能量密度、充放電速度，但是具有易燃易爆的特點。其他類型的電池，例如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳電池等分別具有各自不同的優點，在效率、成本、安全性、使用壽命等方面各自有不同的優勢。為了使移動式充電寶能夠儲存較多的電能，具有較強的對外供能能力，所以一般在移動平臺（車輛）內布置大容量的電池組，容量可以達到幾百到數千千瓦時。在電池配置方面，成本控制和安全性往往作為最重要的考慮因素。（2）充電裝置，主要將外部提供的市電轉換為直流能并存儲在電池組中。充電系統的設計對于充電時間、能量轉換效率和電池效能的發揮具有非常重要的作用。（3）逆變裝置，實現將電池能量轉換為電動汽車充電的交流電（目前階段，大型公交車輛等可以通過直流為車輛充電，充電速度更快，針對直流充電汽車需要配置直流升壓模塊，DC/DC模塊；但是大部分的汽車仍然以交流充電為主）。電源逆變裝置的優化設計對于實現穩定充電、提高充電寶效率也具有重要的作用。（4）監控管理系統，實現對移動充電寶充發電過程、內部狀態的監視、測量與控制，同時支持故障診斷、報警、計費等管理功能。

3電池管理系統的功能需求

電池管理系統是移動充電寶監控管理系統的重要組成部分。實現對電池組的管理，完成電池組充電、放電管理、狀態監視和故障診斷。電池組是移動充電寶核心的儲能元件，對其管理和控制對于充電寶的性能具有非常重要的影響。電池管理單元的主要功能包括如下方面：

3.1均衡充電控制

充電寶電池組單元由若干電池單元構成，是能量儲存的重要元件。為了將能量儲存在電池中，需要將市電轉換為合適電壓水平的直流電，然后通過控制電路根據電池的充電特性，逐步將能量轉換為電池內部的化學能。由于電池組有數量較多的電池單元構成，在參數和特性等方面分別存在一定的差異，在電能逐步轉換為化學能的過程中，針對電池單元不同點特性度其充電放電過程進行必要控制，對發揮電池的效能，縮短充電時間，提高充電效率具有非常重要的作用。

3.2狀態監視

在充電、放電和存儲、運輸等各個階段，對電池組的狀態監視非常重要，電池組的主要參數包括充/放電電流，電池電壓，溫度，壓力和絕緣狀態等。

3.3故障診斷

以連續監測的電池和電池組的充電/放電電壓、電流、溫度、壓力、泄漏電流等參數為基礎，對電池狀態進行綜合評估，預先發現電池組內部的潛在缺陷，對可能出現的風險和潛在的供電能力進行評價。

4均衡充電控制系統設計

4.1電池組間不均衡的原因及其影響

電池組間不均衡的根本原因是由于電池組基本單元在參數和特性方面不一致導致的。對于充電、放電過程，對電池組儲能能力和對外的供能能力具有非常重要的影響。電池組間不均衡主要包括容量不均衡、電阻不均衡、電壓不均衡。

在電池組內部，單體電池容量、端電壓和內阻在制造和使用過程中不可避免地會產生出現不嚴格一致的情況，從而形成了電池組內部的不均衡。在充電過程中，端電壓較高或容量較小的電池單元將被提前充滿，其余的電池單元因為端電壓較低或容量較大而沒有完全充滿需要繼續充電。如果沒有適當的均衡措施，將使容量較小或初始電壓較高電池長時間過充電，或在某些電池單元沒有被充滿之前提前結束充電，這將嚴重影響電池組的能量效率和使用壽命。

當一組電池單元串聯使用時（由于單體電池單元電壓較低，所以串聯使用時非常有必要的），當流過電池單元的電流相同時，內阻大的電池將產生較大的能量損失，發熱量大溫度上升較快。如果不能使電池組具備良好的散熱條件，則電池單元的熱量不能及時耗散，電池組溫度將升高，不但會顯著降低電池的容量，而且會出現外殼變形、爆炸等非常嚴重的后果。

電池單元電壓不均衡也是對電池組整體性能影響較大的因素之一，可能導致并聯的電池單元之間的相互充電；當并聯組中的一個單元電壓較低時，其它單元給低電壓的單元充電。電池組件的內部能量流動導致電池容量的急劇降低，加劇電池組的不均衡，產生發熱，使電池組的整體性能不能達到預期的效果。

4.2均衡充電控制電路設計

均衡充電控制電路主要包含整流電路，直流電壓變換回路、電流均衡控制回路和狀態監測回路等部分。

均衡充電控制電路的電源輸入保護和整流回路如圖2所示。在均衡充電的電源輸入回路中，設置了防雷保護、過壓、浪涌和輸出短路等保護措施。

均衡充電控制電路的直流電壓變換回路如圖3所示。實現將輸入的電壓轉換為所需要的直流電源為外部供電。直流電壓變換回路設計為buck降壓變換器，開關S1由DSP控制單元產生的觸發信號控制通斷，以恒定的開關頻率工作，從而在輸出端得到穩定的直流電壓，通過調節S1的占空比可得到需要的充電電壓或電流。DSP控制單元一方面測量輸出端的電壓和電流，同時與設定值比較，閉環調節輸出直流電壓和電流水平。

電流均衡控制電路如圖4所示。可以自動識別電池的個體差異，自適應調整充電電流。均衡充電系統的主電路中主要元器件有：電感、電容、功率開關管（IGBT）及二極管，可以實現對成組串聯的電池均衡充電，當與某個電池單元對應的功率開關管導通時，電池單元被旁路，充電電流不流經對應的電池單元，否則將對電池單元充電。系統中設置的二極管起到續流作用，可以避免在回路中形成比較高的反向電壓影響損壞電池和充電器件。在實際使用時，可用PWM控制信號對功率開關管的通斷進行控制，通過占空比調節各個電池單元充電的快慢，最終維持電池的SOC值之間只存在非常小的差異。

針對單個電池組單元的狀態監測電路如圖5所示，包括溫度監測、單體電壓監測等功能。

5均衡充電控制算法設計

電池組及其所屬的單體電池單元參數具有非線性、時變性的特點，無法準確地建立電池單元的數學模型。為了實現電池組的均衡充電，本文采用了一種新的自適應模糊充電控制策略，對充電系統進行模糊PWM控制，通過對占空比的連續動態調節實現對電池單元的均衡充電。

為了設計一種可行的均衡充電控制策略，有必要對影響電池充電過程的主要因素進行分析，均衡控制的目標是使充電過程中單體電池電壓差異逐步降低，使端電壓較低的電池進行優先充電，使SOC值較高的電池單元降低其上升速度。所以必須對電池組內每個單體電池的電壓進行監測，單體電池電壓對于實現均衡控制非常重要，也是控制的主要依據。

本文使用了對單體電池的充電控制采用了一種模糊PI控制器的策略。

控制器的基本結構如圖6所示。控制策略以串聯電池組單元的平均電壓作為參考輸入，以實際測量的單體電池端電壓作為主要控制參數，PI控制器以端電壓和組內平均電壓作為輸入，輸出控制量（PWM信號的占空比）調節充電過程。

在單體電池的各充電階段，個體參數差異對最佳的充電策略有一定要求，如果采用固定的PI控制策略較難適應這種精細化的差異。

為了自動識別充電過程中單體電池的參數變化，調節充電過程，本文采用了模糊自適應參數整定的方法。模糊自適應整定策略主要考慮了電壓差、電壓差變化率和單體電池溫度3個主要參數。

取電壓差參數和電壓差變化率的模糊論域為[-3，3]分別對應從電壓差負向最大到正向最大，其隸屬函數定義如圖7所示。

輸入量E的模糊集合為{NB（負大），NM（負中），NS（負小），

Z（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。

輸出量控制量為PI控制參數，變化區間為[0，1]，其隸屬函數的定義如圖8所示。變化參數的模糊集合為：{Z（零），PL（正較小），PS（正小），PM（正中），PB（正較大）}。

通過對對電池充電過程的監視以及對數據的深入分析和總結，根據經驗確定了針對電池組充電器PI參數的模糊控制規則如表1所示。

在模糊控制規則中沒有考慮到單體電池溫度變化對充電過程的要求；根據經驗，對于電池溫度偏高的單體電池有必要降低充電速度，對于電池溫度相對較低的單體電池有必要提高充電速度。

在實際使用過程中，首先根據監測的電壓差異和電壓差變化率，在其論域內模糊化，然后根據規則通過模糊運算的方法確定控制器的P，I參數。考慮到溫度對控制器參數的影響，實際輸出的P控制參數在模糊控制的輸出參數上做適當修正，具體的經驗公式如下

上式中，P為實際輸出的P控制參數，為模糊推理獲取的控制參數，△t為單體電池和組內電池單元平均溫度之差。k為溫度修正系數，與電池種類有一定關系。

6性能驗證和應用

為了驗證本文提出的硬件方案和控制策略有效性，根據本文方案研制了樣機系統，并和常規的恒流充電控制方案進行比較。

針對典型的參數不一致的情況，加工了一組比較典型的參數非均衡電池組以驗證充/放電控制方案效果。實驗結果表明，當采用恒流充電方案時，由于初始剩余容量不同，所以單體電池達到充電電壓上限的時間也不一致，剩余容量越大的電池需要的充電時間越長；剩余容量越小的電池需要的充電時間越短，最先被充滿。在大部分單體電池（80%）充滿電時還沒有充滿時，約8%的電池單元已經達到其上限電壓。當大部分電池單元（80%）都已經充滿時，約有10%的電池單元SOC小于額定值的85%。

在采用了本文所述的模糊均衡充電控制策略后，電池組內各單體電池SOC值的上升速度可以被動態控制。充電過程中，使SOC值較低的單體電池相對于SOC值較高的其他單體電池被優先充電，使初始SOC值比較大的單體降低SOC的上升速度，使能量優先補充到初始SOC值較低的單體電池單元上，降低各個單體電池之間的SOC差異。根據實驗結果，可以表明本文提出的方案使電池組整體的儲能容量上升了8.5%，電池單元之間端電壓差異小于0.1V，充電過程中的整體發熱量降低5.5攝氏度。

采用本文所提出的均衡充電控制策略，對于存在顯著個體差異的電池組特別有利，即使在開始充電階段各個單體電池之間有非常顯著的不均衡，通過動態識別SOC狀態并調整各個單體電池的充電過程，最終可以使單體電池電壓差異逐漸縮小，在充電完成時達到較好的均衡效果，從而提高電池組的整體性能和循環使用壽命。

7結語

移動式充電寶是一種可自由移動的電動汽車的應急電源裝置，電池儲能單元是移動式充電寶的重要組成部分。由于制作工藝、工作溫度、老化等的方面的影響，電池組內單體電池在容量、內阻、端電壓等方面不一致。這種不一致性顯著影響了動力電池組的壽命、效率和整體容量。

本文針對移動式充電寶提出了一種充電控制回路的設計方案和配套的控制策略，可以實現對串聯動力電池組充電過程的均衡控制，使電池組內的電池單元充分地發揮其儲能潛能，延長使用壽命；所提出的方案顯著改善了移動式充電寶的儲能效果和能量轉換效率，具有推廣應用的前景。